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Die Erfindung betrifft eine technische Lösung zur Herstellung eines Werkzeugrohlings mit einer Werkzeugschnittstelle, die an einem axialen Endabschnitt eines zylinderförmigen Grundkörpers ausgestaltet ist und eine unrunde Außenkontur sowie Eingriffskonturen für eine Werkzeugwechseleinrichtung aufweist.
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Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren verfügen unabhängig von ihrer konkreten Ausführung über Schnittstellen für einen Werkzeugwechsel. Dabei ist auch am Werkzeug eine Werkzeugschnittstelle ausgestaltet. Die Schnittstelle muss eine exakte Positionierung des Werkzeuges in der Werkzeugmaschine bzw. im Bearbeitungszentrum gewährleisten, so dass ein mehrfach aus- und eingespanntes Werkzeug stets erneut in einer gleichen Position angeordnet ist.
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Hierfür sind bereits verschiedene Schnittstellensysteme bekannt. Neben Ausführungen mit einem Hohlschaftkegel (sog. HSK) werden auch Ausführungen mit unrunden Querschnitten im Schnittstellenbereich verwendet, die beispielsweise in
JP 0325 1302 A beschrieben sind.
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US 2017/0 043 408 A1 betrifft ein Schneidwerkzeug, bei dem eine Werkzeugschnittstelle ebenfalls mit einem unrunden Querschnitt ausgestaltet ist. Dabei geht ein zylinderförmiger Grundkörper an seinem den Schneiden entgegengesetzt angeordneten Endabschnitt in einen flanschartigen Abschnitt über, der einen kleineren Durchmesser aufweist als der zylinderförmige Abschnitt und eine dreieckähnliche Außenkontur. An der dreieckähnlichen Außenkontur des flanschartigen Abschnittes sind eine Identifizierungsmarkierung und eine Durchgangsbohrung ausgestaltet. Am Übergang der zwei koaxial zueinander angeordneten Abschnitte ist eine kreisförmige Vertiefung ausgestaltet, die mit einem Werkzeuggreifer für einen automatischen Werkzeugwechsel in Wirkverbindung gebracht werden kann.
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Derartige Werkzeugschnittstellen mit unrundem Querschnitt, die z.B. unter der Bezeichnung CAPTO am Markt bekannt sind, ergeben im Vergleich zu Varianten mit Hohlschaftkegeln funktionelle Vorteile beim Werkzeughandling und Einspannen. Allerdings erfordern sie einen wesentlich höheren Fertigungsaufwand und eine wesentlich höhere Fertigungszeit.
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Das in den Patentanmeldungen
DE 10 2011 100 985 A1 und
DE 10 2020 108 468 A1 beschriebene Verfahren des Unrunddrehens beruht auf einer Kinematik zwischen Werkzeug und Werkstück, bei der sich das Werkzeug kontinuierlich im Eingriff befindet. Mathematisch werden bei dieser dem Drehen zugeordneten Technologie Konturen, im Speziellen, Trochoiden erzeugt, die eine geschlossene polygonale Kontur bilden und deren Kontur geschlossen mathematisch beschrieben werden kann. Wird eine polygonale Kontur auf einer Welle abgebildet, so wird ein Werkzeug mit der Schneidenzahl 1 verwendet, welches innen verzahnt ist. Für die Abbildung in einer Nabe wird ein Werkzeug mit der Schneidenzahl 1 verwendet, welches außen verzahnt ist. Werkzeuge mit mehr Schneiden können verfahrensbedingt nicht eingesetzt werden. Die Anzahl der zu erzeugenden polygonalen Mitnehmer wird durch das Drehzahlverhältnis entscheidend bestimmt. Hierbei ist die Drehrichtung zwischen Schneide und Werkzeug entscheidend. Die Form des Polygons wird durch den Achsversatz oder auch polygonale Exzentrizität bestimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine technische Lösung zur Herstellung von Werkzeugrohlingen mit einer Werkzeugschnittstelle zu schaffen, mit der ausgehend von einem zylinderförmigen Grundkörper ein Werkzeugrohling mit einer unrunden Außenkontur und mit Eingriffskonturen für eine Werkzeugwechseleinrichtung an einem Endabschnitt des Grundkörpers innerhalb einer gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduzierten Fertigungszeit hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch gelöst, indem folgende Verfahrensschritte zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführt werden:
- - ein zylinderförmiger blanker Grundkörper wird zunächst zu einem Werkzeugrohling derart vorbearbeitet, dass eine Innenkontur, Querbohrungen und/oder Indexierbohrungen, mindestens eine Chipbohrung zur Werkzeugidentifikation, ein Außenkonus mit einem vorab definierten Winkel und ein Abschnitt mit einem Polygonschaft ausgestaltet werden,
- - danach wird der Polygonschaft des Werkzeugrohlings mittels Mehrkantschlagen derart bearbeitet, dass entweder zunächst mit einem ersten Werkzeug Greifernuten und danach mit einem zweiten Werkzeug gerade oder konische Konturabschnitte, Fasen oder Freistiche oder zunächst mit einem zweiten Werkzeug gerade oder konische Konturabschnitte, Fasen oder Freistiche und danach mit einem ersten Werkzeug Greifernuten ausgestaltet werden,
- - danach wird der Werkzeugrohling gehärtet,
- - danach werden am Werkzeugrohling die Planflächen zur Werkzeuganlage geschliffen,
- - danach wird am Polygonschaft des Werkzeugrohlings das Schleifaufmaß abgetragen,
- - abschließend wird der Schaft des Werkzeugrohlings auf ein vorab definiertes Zielmaß geschliffen.
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Der wesentliche Lösungsansatz der erfindungsgemäßen technischen Lösung besteht demzufolge darin, dass funktionsrelevante Konturen einer Werkzeugschnittstelle an einem Werkzeugrohling durch Einsatz des Verfahrens des Mehrkantschlagens erzeugt werden.
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Für die Technologie des Mehrkantschlagens sind die Schneiden des verwendeten Werkzeuges gegenüber dem Werkstück diskontinuierlich im Eingriff, was einen entscheidenden Unterschied zum Unrunddrehverfahren darstellt. Daraufhin kann das Verfahren einem Drehprozess mit unterbrochener Schnittführung und in gleicher Weise einem Fräsprozess zugeordnet werden. Die Flugbahnen der Schneiden hüllen eine polygonartige Kontur ein, woraufhin sehr scharfe Übergänge bzw. Ecken zwischen den einzelnen bearbeiteten Flächen erzeugt werden. Die entstehende Kontur auf dem Werkstück ist nicht geschlossen mathematisch beschreibbar. Das Verfahren ist nur für Wellen anwendbar. Charakteristisch ist die Einstellung eines Drehzahlübersetzungsverhältnisses zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück. Aus diesem Übersetzungsverhältnis lässt sich die Anzahl der zu verwendenden Schneiden im Werkzeug ableiten. Hierbei können Werkzeuge mit der Schneidenzahl von größer als 1 zum Einsatz kommen und damit entscheidend die Produktivität des Verfahrens steigern. Es werden nur außenverzahnte Werkzeuge verwendet. Die Schneide wird in der Relativbewegung während des Schneidvorganges so geführt, dass sich die Schnittgeschwindigkeiten zwischen Werkzeug und Werkstück addieren. Dabei können durch ein entsprechend angepasstes Übersetzungsverhältnis Polygone mit einer Anzahl von „n“ Ecken erzeugt werden. Weitere Einflussgrößen sind insbesondere der Werkzeugradius und der zu erzeugende minimale Durchmesser (in der Literatur als Schlüsselweite „SW“ bezeichnet), die sich auf Größe und Form des Polygons auswirken. Das Verfahren des Mehrkantschlagens wird bisher lediglich für die Herstellung von Schlüsselflächen angewendet, jedoch nicht für andere Verwendungszwecke, wie nunmehr vorgeschlagen. Die hier eingesetzten Werkzeuge sind in der Verwendung der eingesetzten Schneiden so dimensioniert, dass sie in der Wahl des Werkzeugdurchmessers die Zielkontur des entsprechenden PSC Werkzeugendes so gut wie möglich erreichen. Dabei kommt je nach gewählten Übersetzungsverhältnis die maximal mögliche Anzahl an Schneiden zum Einsatz. Werden weniger Schneiden verwendet als maximal möglich, so ist die Winkelaufteilung der Schneiden nicht zwangsweise symmetrisch, sondern ergibt sich aus 360° / maximale Schneidenanzahl. Prinzipiell ist die gewünschte Kontur auch nur mit einer Schneide bei jedem Übersetzungsverhältnis herstellbar.
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Eine Ausgestaltung schlägt vor, dass der zylinderförmige blanke Grundkörper mit einem Werkzeugpaket auf einem Werkzeugrevolver mit angetriebenen Werkzeugen oder auf einem Bearbeitungszentrum mit Dreh- und/oder Bohr- und/oder Fräsoperationen zu einem Werkzeugrohling vorbearbeitet wird.
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Die Übersetzungsverhältnisse zwischen dem ersten Werkzeug bzw. dem zweiten Werkzeug und dem Werkzeugrohling können verschiedenartig gewählt werden. Für eine weitgehend optimale Bearbeitung sind jedoch konkrete Übersetzungsverhältnisse vorteilhaft.
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Eine diesbezügliche Ausgestaltung schlägt vor, dass das Übersetzungsverhältnis „i“ zwischen dem ersten Werkzeug für die Ausgestaltung der Greifernuten und dem Werkzeugrohling 2/1 beträgt. Bei dem vorgeschlagenen Übersetzungsverhältnis i=2/1 für die Bearbeitung der Greifernuten kann ein Werkzeug mit zwei Schneiden ausgeführt werden. Auf Grund des Übersetzungsverhältnisses entsteht eine konvexe polygonale Kontur. Bei der Werkzeugauslegung, im Speziellen, beim gewählten Frei- und Spanwinkel der Schneide, muss dies konstruktiv berücksichtigt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung schlägt vor, dass das Übersetzungsverhältnis „i“ zwischen dem zweiten Werkzeug für die Ausgestaltung der geraden oder konischen Konturabschnitte am Polygonschaft und dem Werkzeugrohling 3/7 beträgt. Bei diesem Übersetzungsverhältnis und gewähltem Werkzeugdurchmesser i=3/7 für die Bearbeitung des Polygonschaftes werden nur geringe Konturabweichungen erzeugt und somit die geringsten Abweichungen hinsichtlich des Schleifaufmaßes zur Fertigkontur nach ISO 26623-1 erreicht. Auf Grund des Übersetzungsverhältnisses entsteht eine konvexe polygonale Kontur. Bei der Werkzeugauslegung, im Speziellen, beim gewählten Frei- und Spanwinkel der Schneide, muss dies konstruktiv berücksichtigt werden. Marktübliche Werkzeuge sind dafür nicht geeignet.
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Durch die konkret vorgeschlagenen Übersetzungsverhältnisse lassen sich mehrere Schneiden auf einem Werkzeug platzieren. Dadurch erhöht sich die Produktivität bezogen auf den zu nutzenden Vorschub „f“. Dieser ergibt sich gemäß der Formel „f=n*fz“, wobei „fz“ den Vorschub pro Zahn in mm/Umdrehung angibt, der üblicherweise 0, 1 mm/U beträgt.
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Eine Ausgestaltung schlägt vor, dass der Werkzeugrohling mittels Laserhärten oder Nitrieren oder induktivem Härten gehärtet wird.
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Die für einen derartigen Verfahrensablauf notwendigen Werkzeuge sind nicht auf dem Markt erhältlich. Denn die bisher angebotenen Werkzeuge werden ausschließlich zur Herstellung von Schlüsselflächen verwendet und weisen daher eine unzureichende Freiwinkelreserve in der Einbettung der Schneide auf.
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Die Aufgabe wird demzufolge vorrichtungstechnisch gelöst, indem ein erstes Werkzeug zur Ausgestaltung von Greifernuten mit maximal zwei Schneiden und indem ein zweites Werkzeug zur Ausgestaltung von geraden oder konischen Konturabschnitten, Fasen oder Freistichen am Polygonschaft mit maximal sieben Schneiden ausgestattet ist. Jedes dieser Werkzeuge kann auch mit weniger Schneiden oder nur einer Schneide ausgestattet sein und würde die gleiche Form bei dem jeweiligen Übersetzungsverhältnis erzeugen. Dabei sinkt jedoch die Produktivität. Bei Verwendung mehrerer Schneiden muss jedoch die Teilung der Schneiden bezogen auf das Übersetzungsverhältnis beachtet werden, die nicht in jedem Fall symmetrisch zu gestalten ist. Die Teilung ergibt sich in diesem Falle aus 360° / 7 Schneiden. Bei beispielsweiser Verwendung von nur 6 Schneiden können 6 Schneiden auf dem Umfang angeordnet werden, jedoch in einer Winkelteilung, die ein Vielfaches von 360° / 7 ergibt. Damit ist eine Teilung doppelt so groß wie alle anderen und damit unsymmetrisch.
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Es wird vorgeschlagen, dass das erste Werkzeug zur Ausgestaltung von Greifernuten einen Grundkörper aufweist, an dessen Außenkontur zwei zueinander symmetrisch angeordnete Konturvorsprünge ausgestaltet sind, an deren vorderen Endabschnitt jeweils eine, mindestens jedoch eine, lösbar befestigte Schneidplatte angeordnet ist.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das zweite Werkzeug zur Ausgestaltung von geraden oder konischen Konturabschnitten, Fasen oder Freistichen am Polygonschaft einen Grundkörper aufweist, an dessen Außenkontur sieben zueinander symmetrisch angeordnete Konturvorsprünge ausgestaltet sind, an deren vorderen Endabschnitt jeweils eine, mindestens jedoch eine, lösbar befestigte Schneidplatte angeordnet ist.
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Durch eine Änderung der Durchmesser der verwendeten Werkzeuge kann die entstehende Balligkeit der Kontur beeinflusst werden, wobei ein größerer Werkzeugdurchmesser eine geringere Balligkeit erzeugt.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung des Mehrkantschlagens zur Herstellung eines Werkzeugrohlings mit einer Werkzeugschnittstelle ergibt gegenüber der bisher üblichen Bearbeitung folgende Vorteile:
- Die Produktivität wird durch den Einsatz von Spezialwerkzeugen erhöht, so dass sich eine geringe Fertigungszeit bei einem hohen Spanvolumen ergibt.
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Diese Spezialwerkzeuge zur Ausgestaltung der Schaftpolygone und Greifernuten können optimal für die jeweils angestrebten Konturen konzipiert werden
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Diese Spezialwerkzeuge können dabei mit kostengünstigen Standard-Wendeschneidplatten ausgestattet werden.
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Die Spezialwerkzeuge können dabei mit keramischen oder CBN Schneidstoffen ausgestattet werden, um eine höhere Schnittgeschwindigkeit zu erreichen. Gleichermaßen ermöglicht diese Ausgestaltung eine Hartbearbeitung der jeweiligen Oberfläche.
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Die Anwendung des Mehrkantschlagens erfordert keinen zusätzlichen Maschinenaufwand. Dabei ist sowohl eine verfahrenstechnische Integration in eine Standard Drehmaschine mit Revolver mit angetriebenen Werkzeugen als auch in ein Dreh-Bohr-Fräs-Bearbeitungszentrum möglich.
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Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist für verschiedene Größen der Werkzeugrohlinge mit Polygonschaft (PSC 32 / 40 / 50 / 63 / 80 / 80X / 100 und größer) geeignet und kann auch mit einer Erzeugung von PSC-Greifernuten an HSK-Werkzeugen (Sonderausführungen) oder anderen Werkzeugsystemen kombiniert werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 einen zylinderförmigen blanken Grundkörper als Rohteil für die Herstellung eines Werkzeugrohlings in perspektivischer Ansicht
- 2 einen aus dem Rohteil gemäß 1 teilweise ausgestalteten Werkzeugrohling nach den Bearbeitungsschritten Vordrehen, Bohren und Fräsen in perspektivischer Ansicht
- 3 die grundsätzliche Anordnung von Werkzeugrohling und zugeordneten Werkzeugen für den Bearbeitungsschritt Mehrkantschlagen in Seitenansicht
- 4 ein Werkzeug zur Herstellung einer Greifernut in perspektivischer Ansicht
- 5 ein Werkzeug zur Bearbeitung des Polygonschaftes in perspektivischer Ansicht
- 6 die Darstellung von Schleifaufmaß zur Fertigkontur
- 7 den Werkzeugrohling gemäß 2 nach dem Mehrkantschlagen mit den jetzt ausgestalteten Greifernuten und einer Polygonkontur
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In 1 ist ein zylinderförmiger blanker Grundkörper als Rohteil aus Metall, Kunststoff oder einem anderen Werkstoff dargestellt. Das Rohteil wird mit einem Werkzeugpaket auf einem Werkzeugrevolver mit angetriebenen Werkzeugen oder auf einem Bearbeitungszentrum (nicht dargestellt) mit Dreh- und/oder Bohr- und/oder Fräsoperationen zu einem Werkzeugrohling 5 vorbearbeitet. Der somit erzeugte Werkzeugrohling 5 weist an einem axialen Endabschnitt eine Werkzeugschnittstelle mit einer unrunden Außenkontur und Eingriffskonturen für eine Werkzeugwechseleinrichtung auf.
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In 2 ist der Werkzeugrohling 5 nach der Vorbearbeitung dargestellt. Dabei wurden im Bereich der zu erzeugenden Werkzeugschnittstelle eine Innenkontur, Querbohrungen, Indexierbohrungen, eine Chipbohrung zur Werkzeugidentifikation und ein Außenkonus mit einem vorab definierten Winkel ausgestaltet.
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In 3 ist eine beispielhafte Anordnung des Werkzeugrohlings 5 mit den zugeordneten Werkzeugen 1 und 2 bei der nun folgenden Bearbeitung durch Mehrkantschlagen dargestellt. Dabei werden am Werkzeugrohling 5 mit einem in 4 dargestellten ersten Werkzeug 1 Greifernuten 4 und mit einem in 5 dargestellten zweiten Werkzeug 2 gerade oder konische Konturabschnitte, Fasen oder Freistiche am Polygonschaft 3 ausgestaltet.
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In 4 ist eine bevorzugte Ausführung des ersten Werkzeuges 1 zur Ausgestaltung von Greifernuten 4 mit insgesamt zwei Schneiden dargestellt. Dabei sind an der Außenkontur vom Grundkörper des ersten Werkzeuges 1 zwei zueinander symmetrisch angeordnete Konturvorsprünge ausgestaltet, an deren vorderen Endabschnitt jeweils eine lösbar befestigte Schneidplatte angeordnet ist. Jeder Schneidplatte kann eine Unterlegplatte zugeordnet sein.
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Das Übersetzungsverhältnis „i“ zwischen dem ersten Werkzeug 1 für die Ausgestaltung der Greifernuten 4 und dem Werkzeugrohling 5 beträgt vorzugsweise 2/1. Dabei macht das Werkzeug 1 zwei Umdrehungen im gleichen Zeitraum, in dem der Werkzeugrohling 5 eine Umdrehungen macht.
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In 5 ist eine bevorzugte Ausführung des zweiten Werkzeuges 2 zur Ausgestaltung von geraden oder konischen Konturabschnitten, Fasen oder Freistichen am Polygonschaft 3 mit insgesamt sieben Schneiden dargestellt. Dabei sind an der Außenkontur vom Grundkörper des zweiten Werkzeuges 2 sieben zueinander symmetrisch angeordnete Konturvorsprünge ausgestaltet, an deren vorderen Endabschnitt jeweils eine lösbar befestigte Schneidplatte angeordnet ist. Jeder Schneidplatte kann eine Unterlegplatte zugeordnet sein.
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Das Übersetzungsverhältnis „i“ zwischen dem zweiten Werkzeug 2 für die Ausgestaltung der geraden und konischen Konturabschnitte, Fasen oder Freistiche am Polygonschaft 3 und dem Werkzeugrohling 5 beträgt vorzugsweise 3/7. Dabei macht das Werkzeug 2 drei Umdrehungen im gleichen Zeitraum, in dem der Werkzeugrohling 5 sieben Umdrehungen macht.
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Der mit dieser Übersetzung erreichte Konturverlauf mit einer Darstellung von Schleifaufmaß zur Fertigkontur ist aus 6 ersichtlich. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 6 die Kontur eines Polygons gemäß dem Industriestandard ISO 26623-1 und das Bezugszeichen 7 die mit dem Mehrkantschlagen und dem eingesetzten abgestimmten Werkzeug 2 aus 5 erreichte Kontur.
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Die zeitliche Abfolge der Verfahrensschritte des Mehrkantschlagens kann unterschiedlich realisiert werden, insbesondere auch unter Beachtung der verfügbaren freien Bauräume zur Zuführung des ersten und zweiten Werkzeuges 1 bzw. 2. So können zunächst mit dem ersten Werkzeug 1 Greifernuten 4 und danach mit dem zweiten Werkzeug 2 gerade oder konische Konturabschnitte, Fasen oder Freistiche am Polygonschaft 3 ausgestaltet werden. Alternativ können auch zunächst mit dem zweiten Werkzeug 2 gerade oder konische Konturabschnitte, Fasen oder Freistiche am Polygonschaft 3 und danach mit dem ersten Werkzeug 1 Greifernuten 4 ausgestaltet werden.
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In 7 ist der Werkzeugrohling 5 nach dem Mehrkantschlagen dargestellt mit ausgestalteten Greifernuten 4 sowie geraden und konischen Konturabschnitten, Fasen oder Freistichen am Polygonschaft 3.
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Nach dem Mehrkantschlagen wird der Werkzeugrohling 5 mittels Laserhärten oder Nitrieren oder induktivem Härten gehärtet. Danach wird am Polygonschaft 3 das Schleifaufmaß abgetragen, anschließend wird der Werkzeugrohling 5 auf ein vorab definiertes Zielmaß geschliffen und abschließend werden am Werkzeugrohling 5 die Planflächen zur Werkzeuganlage geschliffen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Werkzeug (für Greifernut)
- 2
- zweites Werkzeug (für Konturabschnitte, Fasen oder Freistiche am Polygonschaft)
- 3
- Polygonschaft
- 4
- Greifernut
- 5
- Werkzeugrohling
- 6
- Polygon Kontur nach ISO 26623-1
- 7
- Kontur mit dem Mehrkantschlagen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 03251302 A [0003]
- US 20170043408 A1 [0004]
- DE 102011100985 A1 [0006]
- DE 102020108468 A1 [0006]